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坐在泡沫塑料椅垫上
坐在椅子上工作
100
6000
拿起塑料袋
600
7000
用塑料薄膜包装印刷电路板
3000
16000
用氟里昂溶液喷洗插件板
5000
15000
从印制电路板上撕下胶带
用橡皮擦印制电路板
1000
4.静电力学现象
物体带静电后,周围空间产生的电场具有电能,从而使轻小物体被吸引或排斥。
积聚静电的带电体将不同极性的轻小物体吸引到自己周围,有时会出现按极性排列现象,而将同性的小物体排斥开。
5.静电放电现象
物体带静电时,电量不一定很多,但往往电位很高,有时达数千伏至数万伏之高,甚至数十万伏。
这样高的电位,物体内的电荷就要释放出来。
当物体带电达到空间电场强度的极限值时(见表二),便会击穿介质,把能量释放出来,产生发光、爆炸等静电放电现象。
表二几种气体、固体、流体的击穿场强
气体
击穿场强(千伏/厘米)
空气
氢气
氧气
一氧化碳
甲烷
35.5
15.5
29.1
45.5
22.3
固体
云母
电缆纸
橡胶
聚氯乙烯
醛酚树酯
50-150
6
20-25
12-16
8-30
液体
酒精
丙酮
苯
甲苯
氯仿
700-800
640
1300
空间放电
空间放电现象伴随着“爆炸”声、发出兰白色的光。
如果观察放电的发光形态,可分为电晕放电、刷形放电、火花放电三种。
电晕放电是带电体或接地体上小突起部位发生的,尖端附近会出现轻微破裂声和微弱的光。
刷形放电是电晕放电的进一上发展,在接地物较平的地方也容易发生。
可以观察到树枝状的发光放电,发出较电晕放电更强的光和“啪啪”的声响。
火花放电是电量较大时首先发生的,有强烈的发光和更大的放电声响,在带电体与接地体之间可以看到线状强光。
表面放电
当带电体表面电荷密度达到10-8库仑/厘米2以上时,沿着绝缘表面发生放电,称做表面放电。
这种电现象能量更大,声、光更强,引起火花的可能性大。
6.静电感应现象
带电体附近的绝缘体或与大地绝缘的物体表面上会产生感应电荷的现象称做静电感应。
同时会伴有静电力学现象和静电放电现象。
二、静电的危害
1.静电引起危害
物体带电面产生的力学现象、放电现象和静电感应现象都会给电子器件带来危害,造成经济损失。
静电力学现象引起的生产障碍
生产IC器件时,由于静电力吸引或排斥轻物的作用,被吸附的尘埃难以清除,极大地降低了净化度,致使产品率低或造成废品。
在电子产品装配时,静电力常常造成许多麻烦,给操作带来不便。
静电放电现象引起的灾害
当带有几千伏或数万伏高电位的带电体发生脉冲刷形放电、火花放电时,瞬间会有数安培的离子电流流动,并有电磁波发射。
这将引起CMOS器件和其它电子器件的损害,造成电子设备的故障,误动作,引起计算机误操作、键盘信号锁死、信息差错及内存消失等。
如果物体带有超过击穿场强的静电,产生静电放电时则足以引起爆炸或造成火灾。
在粉尘、助燃气体的环境里极易造成灾害。
静电放电引起的电击灾害
由于静电通过人体对地或带电体对人发生放电,都会给人带来电击的痛感,特别是指尖部位。
一般电位在1千伏以下人体无感觉,2千伏时有感觉,到3千伏以上则有痛感,影响正常工作。
表三所列是当人体静电容量为90p时,对静电的敏感程度
表三人体对静电电击的敏感度(按人体静电容量为90P)
人体带电电位(KV)
放电能量(MJ)
敏感程度
备注
1.0
2.0
2.5
3.0
4.0
5.0
0.045
0.180
0.218
0.405
0.720
1.125
没有感觉
手指外侧有感觉,但不疼痛
放电部位有针刺感,轻微冲击感,但不疼痛
有轻微和中等针刺痛感
手指轻微疼痛,有较强的针刺痛感
手掌乃至手腕前部有击疼痛
有微弱的放电声音
可见到放电的发光,
由指尖延伸
2静电给半导体电子器件造成的损害
对静电敏感的电子器件
人们把对静电反应灵敏的电子器件称为静电敏感器件(StatjcSensitiveDevice简称SSD)。
这类电子器件主要指高密度的集成电路,特别是金属氧化物半导体(MOS)器件。
但是,静电对晶体管同样有影响。
静电造成的器件损伤,轻者降低器件的技术特性,留下隐患,重者导致器件完全损坏而失效。
实际上前者的损失更大,产品中存在“软击穿”状态的器件,会影响整个设备正常工作。
表四给出的是某些静电敏感器件的静电破坏电压范围。
我们可以看出它们对静电的敏感程度。
表四静电敏感器件对静电的敏感程度
序号
类型
电压范围(伏)
附注
1
2
3
4
5
7
8
9
10
11
CMOS/NMOS/PMOS
VMOS
HMOS
E/DMOS
MOSFET
CaAsFET
EPROM
SL-TTL/S-TTL
TTL/DTL/H-TTL
微波肖特基二极管
膜式电阻
250-2000
30-1800
50-500
200-1000
100-200
100-300
100-
300-2500
380-7000
300-1000
300-3000
有保护网
MOS场效应管
高速双极逻辑电路
低速双极逻辑电路
美国军用手册(DOD-HDBK-263)将器件对静电的敏感程度分成三类:
类:
敏感范围0-1000V,包括:
不加保护网络或有I类保护网络的MOS器件;
表面声波(SAW)器件;
可控硅整流器(SCR);
功率≤0.05W的薄膜电阻等。
敏感范围1000-4000V,包括:
加
类保护网络的MOS器件;
精密网络电阻(RI);
高速发射极耦逻辑电路(ECL)等。
敏感范围4000-15000V,包括:
硅开关二极管;
硅晶体管(Pc≤5W);
压电晶体;
硅高频晶体管(Ta=25℃)等。
静电导致MOS器件失败的原因
MOS电路做为半导体器件的一个分支,对静电有较强的敏感性,这是由其结构性所决定的。
以MOS场效应晶体管(MOSFET)为例,它具有体积小、重量轻、功耗低、集成度高,输入阻抗极高,输入电容低等特点。
使SiO2绝缘膜击穿的电场强度EB值一般在5×
106-10×
106伏/厘米之间,通常铝栅下面覆盖着的氧化膜厚度在1000-2000埃。
当电场强度EB值一定时,氧化膜的击穿电压与其厚度成正比。
当EB值不同时,对于较厚的氧化膜,当然可以提高其耐压性能,但此法行不通,不仅不能靠加厚氧化膜来提高器件的耐静电性能,而且在器件集成度越来越高的趋势下SiO2的膜厚越做越薄。
随着器件的集成度提高,器件尺寸减小,栅氧化层减薄,因而耐压也随之降低。
要避免器件遭受静电损害,只有采取保护措施。
鉴于器件对静电敏感,如果在制造、使用乃至运输中稍不注意,就会造成静电放电损伤器件。
在元件厂生产器件时,由于静电破坏了净化程度,灰尘使器件线路之间的阻抗改变,同样要影响其功能与寿命。
典型的ESD失效机理
a.热二次击穿(也称做雪崩衰变)。
b.金属喷镀熔融。
c.介质击穿。
d.气弧放电。
e.表面击穿。
f.体积击穿。
4、电对电子产品生产造成的危害
静电危害在电子产品生产的全过程都存在。
了解易受静电损害的薄弱点很重要,这便于我们采取措施,将静电的危害控制在最低限度。
如果在产品制造的各个阶段,在各阶段的每一薄弱环节都能注意静电防护工作,将会大大提高产品的可靠性及使用寿命,取得更好的经济效益。
表五生产应用过程中的静电危害
阶段
静电危害部位
器件制造
切断、接线、检测、传递、交货、运输
插件制造
元器件入厂检测验收、保管分发、插件插装、焊接、清洗、检测、传递、包装运输
整机装联
插件验收贮存、整机装联、调试、检测、传递、包装、运输
产品应用
产品验收、安装、加电使用、维修保养
三、静电防护及器材
1.静电防护的基本指导思想
前面已经提到,静电是物体表面产生过剩或不足的电子,电子过剩带负电,电子不足则带正电。
所带的电子数决定表面电荷量。
在静电防护中打算完全将静电消除是困难的。
但我们可以采取防护措施,将静电的产生与积聚控制在最小的限度之内。
一条基本指导思想是在可能产生静电的地方迅速而可靠地消除静电积累。
排除静电的手段则要随带电体的材料而定。
2.材料的静电传导性能
除金属导体、半导体、绝缘体外,材料还可以分静电导体(其电阻率为1×
106欧·
米)、静电亚导体(电阻率为1×
106-10欧·
米)、静电非导体(电阻率为1×
1010欧·
米以上)。
对于静电防护,原则上不使用金属导体。
这类材料泄漏快,发生强电漏电会造成事故,如有静电,会成为“放电目标”也不安全。
另外,也不使用绝缘体和静电非导体。
这类材料是产生、积聚静电的主要媒体,极易造成静电事故。
3.导体带静电的消除
导体上的静电可以用接地的方法,使其满泄漏到大地。
电荷泄漏速度受导体电容和电荷流动路径上电阻的限制。
一般要求在1秒钟之内将静电泄漏,电压降至100伏以下的安全电压。
经计算得知,达到上述要求时接地电阻的阻值在109Ω以下即可。
所以在静电防护系统中都有1MΩ的限流电阻,这是为操作者的安全而设计的。
如果操作者在静电防护系统中不注意触及到220V的电压亦不会产生危险。
当然,不应该随意触及不安全电压。
4.非导体带静电的消除
绝缘材料带静电难以用接地的方法去泄漏静电荷。
因此要用消除静电的器械、设备。
当然,想把带电体上的静电消除至零是难以办到的,一般只要消除到对产品没有危害就可以了。
常采用的非导体带电防治措施是:
a.用静电导体制品取代非导体;
b.控制环境温度与湿度;
c.使用离子风机中和;
d.使用静电消除剂;
e.采用静电屏蔽;
f.严格执行静电防护工艺规程。
5.静电防护器材
常用静电防护器材有防静电工作服、抗静电剂等。
防静电工作服
接触静电敏感器件穿一般化纤工作服是不允许的,因为这类工作服极易带静电,会造成静电危害。
为了解决这方面的问题,国内外研制了许多防静电工作服。
永久防静电工作服是由金属纤维与棉纤混纺布制造的,这种衣服摩擦电量小,静电半衰期短,较实用。
接触静电敏感器件至少要穿纯棉工作服。
当然,抗静电工作服的导电性能指标优于纯棉织物,见表六。
表六织物导电性能比较
项目
表面电阻(Ω)
摩擦静电压(V)
半衰期(秒)
纯棉织物技术指标
104-1012
<
500
30
防静电织物技术指标
102-105
200
防静电工作服经多次洗涤后,可以用抗静电处理液处理,以恢复其抗静电性能。
防静电工作鞋
同工作服一样,在电子产品生产线上穿普通塑料底鞋,塑胶鞋工作是不允许的。
一定要穿防静电工作鞋。
鞋的电阻值在5×
104Ω到0.5×
108Ω左右,穿这种鞋可将人体静电泄漏入大地。
国内外有些厂商生产一种“接地条”,将它卡在鞋底上,端部紧贴脚踝骨,也可以起到同样作用。
防静电地垫
在要求较严格的计算机房里,地面多敷设抗静电架空地板。
但在一般的电子产品生产线上,就使用价格相对便宜的防静电地垫。
这种地垫材质为防静电橡胶板,是用固体粉末导电材料进行物理改性橡胶制造的,具有5×
104-107Ω的电阻值。
用这种材料做地垫,通过接地电缆与大地联接,以泄漏人体的静电。
防静电台垫
工作台一般为不导静电的,为保证静电安全,应该敷盖一块台垫,台垫体是电阻要求在105-8Ω-cm左右,称为防静电台垫。
台垫装有接地扣,通过电缆与大地联接。
这样可将操作者及工作台上器具的静电泄漏于地。
防静电手镯(腕带)
这是一种接触静电敏感器件或设备仪器的操作人员必备防静电工具。
它形似手镯,又称腕带。
将它戴在手腕上与皮肤接触,通过电缆接大地,对地电阻约105-108Ω。
这样,操作者如带静电,则通过电缆泄漏,保护器件和设备。
由于有一兆以上的阻值,人体不是直接接地,较安全,尽管如此,也不得随意接触危险电压。
佩带腕带与不佩带大不一样,实验证明,人在不戴腕带运动时,其电容连续减少30%,在0.1秒内其电位增到峰值400伏。
如果戴上配有不同接地电阻的腕带重复上述运动时,其峰值电压变化如表七。
表七腕带对地电阻与静电电压
对地电阻(MΩ)
0.5
∞(不戴腕带)
运动产生峰值电压(V)
85
240
440
因此,各种腕带都将最佳的安全电阻限制在1-100MΩ之间。
导电泡沫板
这是一种厚度为3.1-6.3毫米的板状泡沫材料。
有高密度和低密度两种,高密度适于插放器件,低密度适于做抗静电防震材料。
零散的器件不得随意丢放,特别是维护件,插放在导电泡沫上可以使管脚短接,即可保护器件不受静电伤害又便于携带。
防静电元件及产品周转箱
在插件生产线上,装元件、器件的盒子不得使用一般的塑料制品,必须用防静电元件盒,插件板等半成品转运传送也一定要使用防静电周转箱。
它们都是用导静电塑料注塑成型的,体电阻约为101-102Ω-cm。
周转箱上装有按扣座,可通过电缆接地。
如果加装接地线,更有利在存放、运输时保护制品。
防静电集成电路导管
导管按照器件外形尺寸制成不同的规格,供装集成电路之用。
材料为导电塑料或铝,两端有塞柱,以便器件不滑脱。
在器件腿整形,往插件板上装器件(自动或手动),包装运输器件等,均要使用这种防静导管,才能保证器件免受静电损害。
离子风机
这是一种吹出离子风的装置,用以中和绝缘材料、塑料制品、纸张及形状复杂成品上所带的静电。
有些离子风机的有效范围达几米以上,可以对输送带上成品的静电中和。
如果配合其它防静电器材一起使用,会取得更理想的效果。
还有一些配合压缩空气使用的离子化空气装置,如离子化空气喷枪、离子化空气喷嘴等。
接上压缩空气气源,可以吹出高压离子化空气。
气流方向性强,但复盖区面积小、噪声大,适用于电子工厂除尘,电子生产线消除静电或入厂开箱检验。
防静电包装袋
防静电现场维修包
抗静电剂
抗静电剂是一种液态制剂,喷涂于物体表面,有消除静电的作用,可做塑料件的抗静电处理或用于设备、仪器生产线、机房喷涂以消除静电。
被涂履的材料不同,获得的除静电效果、有效期也不尽相同,有的可达数周、数月、数年的效果。
失效后可以再次喷涂,可又一次获得除静电能力。
抗静电剂可做为处理工作服、生产线上的器具、房间的墙壁、地面、地毯等使用。
是电子产品生产应用过程中静电防护的辅助手段。
6.防静电安全工作区
所谓静电安全工作区,是指由铺有防静电地垫、防静电工作台垫、操作者身穿防静电工作服、穿防静电工作鞋,佩戴防静电腕带,有条件的置放离子风机;
使用低压控温烙铁并将系统共接大地,故又称“等电位工作系统”或“零电位工作系统”。
这是一个典型的防静电工作区,从各个方面控制静电,使其在最低限度内。
工作台上及工作区域内均不得存放足以破坏器件的静电带电体,如塑料制品、绝缘材料、纸制品等。
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